Tuesday 11 de September de 2007, 17:23:12

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CONCEPTOS FÍSICOS APLICADOS A LA ESCALADA

Por Curro Gonzalez

No se si alguna vez os habéis preguntado para que sirve la física, o si llegará el día en el que pondréis en práctica los conocimientos adquiridos cuando estudiábamos. 
La física nos va ha ayudar a comprender como actúa el material en el momento más crítico y peligroso de la escalada, la caída. Así mismo, nos va ha dar muchas respuestas a preguntas que seguro más de uno se a aventurado a explicar, viéndose enmarañado entre fórmulas y datos extraños. Y sobre todo, una vez asimilemos algunos conceptos a través de la física, ganaremos en conocimientos de seguridad y prevención en la práctica de la escalada.
Si el escalador que progresa en cabeza de la cordada cae, la caída provoca una acumulación de energía, para detener la caída esta energía tiene que ser absorbida. Se llama cadena dinámica de seguridad (foto 1) al conjunto de todos los elementos que intervienen en la absorción de esta energía y por tanto en la detención de la caída, de estos el más importante es la cuerda.

Cuerdas de escalada, elasticidad y fuerza de choque
Cuando el escalador cae (foto 2), la energía debe ser absorbida por el sistema de aseguramiento y en particular por la cuerda. Si la cuerda absorbe correctamente la energía, reducirá el impacto sobre el escalador. Denominamos fuerza de choque a la fuerza máxima que se transmite al escalador durante una caída. Esta fuerza máxima coincide con el punto más bajo de la caída, o bien con el punto de máximo estiramiento de la cuerda. Desde un punto de vista físico, la cuerda es un material elástico que ejerce sobre el escalador una fuerza que depende directamente del estiramiento de la misma, e inversamente de su elasticidad (ley de Hooke). Es decir, cuanto más se estire la cuerda y cuanto menos elástica sea, más fuerza soportará el escalador en la caída. Seguidamente vamos a intentar entender estos dos conceptos, estiramiento de la cuerda y elasticidad, que determinan la fuerza de choque.

¿De qué depende el estiramiento de la cuerda durante la caída? Para responder a esta pregunta tenemos que recurrir a una conocida ley de la física, la ley de conservación de la energía. Esta ley dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma, de modo que la suma total de energías permanece constante. Aplicado a nuestro caso esta ley nos viene a decir que la energía del sistema escalador-cuerda justo antes de caer tiene que ser igual que la energía después de haber caído. Aquí entran en juego dos tipos de energía.
Por un lado tenemos la energía potencial gravitatoria del escalador. La energía potencial gravitatoria de un objeto cualquiera depende de la atracción de la tierra, y es lo que hace que el objeto caiga. Cuanto más alto está un objeto mayor es su energía potencial gravitatoria, por eso al caer llega con más velocidad al suelo. Cuando un escalador cae, pasa de estar en un punto alto a estar en un punto más bajo, y por tanto su energía potencial gravitatoria disminuye. Pero como la energía se tiene que conservar, la energía potencial gravitatoria del escalador tiene que haber ido a alguna parte. Se ha transformado en energía potencial elástica almacenada en la cuerda.
La energía potencial elástica depende, igual que la fuerza elástica, del estiramiento de la cuerda: cuanto más se estira la cuerda mayor es la energía potencial elástica almacenada en la misma . Para entender mejor esto, consideremos como ejemplo otro material también elástico: las gomas de un tirachinas. Cuento más estiremos las gomas mayor energía potencial elástica conseguiremos, y por eso la china saldrá más rápido y llegará más lejos.
Como acabamos de ver, la energía potencial gravitatoria que tenía el escalador antes de caer se transforma en energía potencial elástica de la cuerda. Cuanto más larga es la caída mayor es la energía potencial gravitatoria que pierde el escalador, y por tanto más se tendrá que estirar la cuerda para absorber toda esa energía. Y como hemos visto, un mayor estiramiento de la cuerda produce una mayor fuerza de choque. De modo que, a primera vista y sin tener en cuenta la elasticidad de la cuerda, parece que una caída mayor (de más metros) producirá siempre una mayor fuerza de choque. Veamos si efectivamente esto es así.

¿De qué depende la elasticidad de la cuerda? Antes de responder a esta pregunta vamos a aclarar lo que entendemos por elasticidad. Sin entrar en definiciones engorrosas, diremos que la elasticidad de una cuerda es lo que esta se estira cuando se le aplica una fuerza. Mayor elasticidad implica mayor estiramiento bajo la aplicación de la misma fuerza.
Las variables que influyen en la elasticidad de una cuerda de escalada son tres. La primera y más evidente es el material del que está hecha la cuerda. Así, no será igual de elástica una cuerda de cáñamo (foto 3) como las usadas en los comienzos del alpinismo que una de las actuales cuerdas dinámicas de poliamida (foto 4). La segunda variable que determina la elasticidad de la cuerda es su diámetro (foto 5). Cuerdas de menor diámetro son más elásticas, es decir se estiran más cuando soportan el mismo peso, que cuerdas de diámetro más grande. Y finalmente, la última variable implicada, y la que nos interesa para entender el factor de caída, es la longitud de la cuerda. Cuando las dos primeras variables no cambian, como suele ser cierto para casi todas las cuerdas de escalada, mayor longitud de cuerda implica mayor elasticidad. Un ejemplo: todos hemos comprobado en alguna ocasión que si nos colgamos de una cuerda que está totalmente desplegada el estiramiento de la misma es mayor (más elasticidad) que si sólo usamos una parte de la cuerda.

¿Por qué escalamos con cuerdas elásticas? Llegados a este punto estamos en condiciones de entender por qué nos conviene escalar con una cuerda elástica. Repasemos conceptos. La fuerza que soportamos en una caída es la fuerza elástica que ejerce la cuerda sobre nuestro cuerpo. Esta fuerza depende directamente de lo que se estira la cuerda e inversamente de la elasticidad de ésta (ley de Hooke). El estiramiento de la cuerda en la caída depende de la cantidad de energía potencial gravitatoria que perdemos, que depende a su vez de la altura caída. Esta energía potencial gravitatoria se transforma en energía potencial elástica a medida que la cuerda se estira. Sin embargo, a diferencia de la fuerza elástica, la energía potencial elástica no depende directamente del estiramiento de la cuerda, sino de su cuadrado. Esta diferencia hace que compense escalar con cuerdas elásticas.
Todas las cuerdas de montaña se caracterizan por su fuerza de choque máxima, medida en laboratorio en condiciones extremas que no se dan en escalada: masa metálica, aseguramiento fijo, cuerda bloqueada. Es el valor indicado en las fichas técnicas de las cuerdas (foto 6).
En escalada, caída tras caída, la capacidad elástica  de la cuerda disminuye y con ello la fuerza de choque aumenta. Por ello, si estamos probando un paso en el cual nos caemos repetidamente es conveniente dejar que la cuerda se “recupere”, bien descendiendo al suelo, bien cambiando de extremo. Sin duda nos ayudará utilizar una cuerda con una fuerza de choque baja, ya que se mantendrá mucho más tiempo por debajo del umbral aceptable que otras con una fuerza de choque alta.
En terreno de aventura o en escalada en hielo, donde los puntos de anclaje tienen resistencias dudosas, la seguridad se incrementará notablemente con el uso de una cuerda con fuerza de choque baja, que solicitará mucho menos el último punto mosquetoneado.
Para permitir a toda la longitud de la cuerda desarrollar su papel de absorbedor de energía, es necesario disminuir los rozamientos evitando los ángulos en los mosquetones (foto7 y 7bis).

Factor de caída teórico y real
El factor de caída determina la dureza o gravedad de una caída: cuanto mayor sea su valor, más dura será la caída. Su valor, varía entre 0 y 2 en condiciones de escalada.
                         
El factor de caída teórico: Con todo lo expuesto anteriormente, cualquiera debería tener claro que, puestos a sufrir una caída, es mejor tenerla lo más arriba posible. ¿Alguien todavía no sabe por qué? La respuesta es sencilla. Cuanto más arriba estemos mayor cuerda habrá desplegada. Mayor longitud de cuerda implica mayor elasticidad y mayor elasticidad implica menor fuerza de choque. Así de simple.
Ya tenemos todos los ingredientes para entender el factor de caída. En una caída influyen por un lado la altura de la caída, que determina (junto con el peso del escalador) la energía de la caída que debe absorber la cuerda, y por otro la longitud de la cuerda, que como ya sabemos determina su elasticidad. El cociente entre estas dos cantidades se denomina factor de caída (foto 8), y es lo realmente importante a la hora de entender la gravedad de una caída. Para un escalador y una cuerda dados, la fuerza de choque viene determinada únicamente por el factor de caída. Es decir, da igual caer más metros siempre y cuando haya más cuerda para frenar nuestra caída. Si el factor de caída es el mismo la fuerza que soportamos es la misma.
El factor de caída real: Los rozamientos en los mosquetones o contra la roca limitan la propagación de la fuerza a lo largo de la cuerda. Así, sólo la longitud de cuerda entre el penúltimo y el último punto será plenamente solicitada, y cada sección entre mosquetones precedentes será cada vez menos.
El resultado es que la capacidad de la cuerda no es completamente utilizada en toda su longitud, y por ello el factor de caída real es mucho más elevado que el factor de caída teórico.

Lo que ocurre en el último punto, El efecto polea
En caso de caída, el último punto mosquetoneado, sistema anclaje-mosquetón-cuerda, sufre a la vez la fuerza de choque transmitida al escalador y la fuerza que viene del asegurador. Estas dos fuerzas se suman. Es lo que se llama el efecto polea (foto 9).
Para entender mejor lo antes descrito vamos a analizarlo por separado:
En un sistema de fuerzas opuestas, la fuerza que ha de realizar A para aguantar la cuerda y no verse desplazado por B ha de ser igual. Si esto lo trasladamos a una polea, en situación teórica sin rozamientos, igualmente la fuerza realizada por B ha de ser igual al peso de A para sostenerle. Para sostener el eje de la polea hará falta una resistencia C, que soporte el peso creado por A, más la fuerza realizada por B.
La fuerza proveniente del asegurador es menor que la transmitida al escalador, a causa del rozamiento del mosquetón. Es por esto que la fuerza total ejercida en el último punto es aproximadamente 1,60 veces la fuerza que actúa sobre el escalador.

3 Comentarios

Enviado por Xavié el Saturday 15 de September de 2007

�Hola....me ha encantado el ártícula que acabo de leer....es muy interessante ( com has dicho tu al pripncipio ) la aplicación dela física en la escalada para llegar a entenderla mejor. Una pregunta: yo peso 94 kg aproximademente que cuerdas dobles serian mejor para escalada en clásica y simples para deportiva. No me refiero a marcas comerciales isno a diametros,longitudes y otras características. Grácias y felicidades otra vez.�

Enviado por Guillem el Wednesday 14 de November de 2007

�no entiendo lo del factor caida. mi cuerda aguanta 10 caidas fuerza 2. pero según la foto, si el factor caida es = a distancia de caida entre altura de la cuerda nunca podrá dar más de uno puesto que sino tendria que ser mas grande la distancia de caida que la altura de la cuerda... No lo entiendo. Cuando será fuerza dos????�

Enviado por Curro Gonzalez el Thursday 15 de November de 2007

�Hola guillem, si no te importa te contesto, junto a otras preguntas, en el próximo "respuestas y consultas" de noviembre.
Gracias!.�